Aktive Kühlungsmethoden an umströmten Strukturen zur Reduktion thermaler Lasten

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Herbert Olivier
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2007 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 39747678

Im Hyperschallflugbereich operierende, vor allem aber in die Atmosphäre wieder eintretende Fluggeräte werden einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt. Dabei würden ohne Kühlungsmaßnahmen die Einsatzgrenzen der meisten bekannten Materialien überschritten. Die heutigen Kühl- und Thermalschutzsysteme insbesondere für Strukturen, die sich in der Außenströmung befinden, können in ihrer Funktionsweise als passiv bezeichnet werden, d.h. sie nehmen keinen direkten Einfluss auf die Strömung zur Reduzierung der Wärmelasten. Eine Alternative zu den bestehenden Systemen stellt der Einsatz einer aktiven Kühlung zum Schutz vor allem der thermisch am stärksten belasteten Bereiche dar. Dabei wird durch Ausblasen eines Kühlgases an der Oberfläche ein Kühlfilm gebildet, der den in die Struktur eindringenden Wärmestrom abtransportiert. Die Vergangenheit zeigt aber auch, dass neben der Effektivität die Zuverlässigkeit eines Thermalschutzes von größter Bedeutung ist. Sie kann mit einem geeigneten, aktiven System erhöht werden, da in diesem Fall ein lokaler Ausfall des Systems durch eine erhöhte Kühlmittelausblasung stromauf der Störstelle kompensiert werden kann. Erste Untersuchungen an einfachen Modellgeometrien weisen auf ein hohes Potential der aktiven Kühlung im Hyperschall hin. Mit relativ geringen Kühlmassenströmen ließen sich die Wärmelasten direkt stromab der Ausblasstelle um bis zu 90 % reduzieren. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es nun zunächst anhand einfacher Geometrien die physikalischen Zusammenhänge der das Problem der aktiven Kühlung beschreibenden Parameter experimentell und numerisch zu untersuchen. Der Fokus der Untersuchungen liegt dabei auf der Beeinflussung von Staupunkt- und Rampenströmungen. Es sollen sowohl die Geometrie des umströmten Körpers sowie der Kühlöffnung als auch die Strömungsparameter in experimentellen und numerischen Untersuchungen variiert werden, um ein möglichst umfassendes Bild der Strömungsvorgänge bei Ausblasung eines Kühlgases unter Hochenthalpiebedingungen, wie sie für den Wiedereintritt von Raumfahrzeugen typisch sind, zu erhalten.

• DFG Programme: Research Grants